I摘要隨著現(xiàn)代科技的進(jìn)步，的生活隨之變得越來越方便。這直接體現(xiàn)的是生活工具的自動化、智能化。電動折疊輪椅有著方便、省力的特點(diǎn)，也是實(shí)現(xiàn)輪椅智能化的基礎(chǔ)。我國的人口總量全球最多的國家，老齡化和殘疾是要面對的重大問題。隨著老年人口比例的持續(xù)增加，中國正在邁向老齡化社會，而高齡人群所面臨的第一個挑戰(zhàn)就是身體機(jī)能的衰退，他們的步行能力大大減弱，有些甚至完全失去了步行的能力。另外，交通的四通八達(dá)也帶來另一個問題交通事故，殘疾人數(shù)量也急劇增加。電動折疊輪椅是一種高效、環(huán)保的交通工具，它采用蓄電池、電機(jī)驅(qū)動，可以節(jié)省人力、操作簡單、行駛平穩(wěn)，而且噪音低，可以滿足居民的出行需求。輪椅由車身、驅(qū)動、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)及控制系統(tǒng)組成，本論文主要設(shè)計輪椅的傳動及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，通過自鎖電動機(jī)帶動減速器帶動輪椅運(yùn)動，將驅(qū)動與轉(zhuǎn)向集成一體，結(jié)構(gòu)上更加緊湊，輪椅桿加有鉸鏈，方便輪椅折疊放入車廂內(nèi)，底座安裝有電機(jī)，方便乘坐者進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。關(guān)鍵詞：電動折疊輪椅驅(qū)動系統(tǒng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)AbstractWiththeadvancementofmoderntechnology,ourlivesarebecomingmoreandmoreconvenient.Thisdirectlyreflectstheautomationandintelligenceofourlifetools.Electricfoldingwheelchairshavethecharacteristicsofconvenienceandlabor-saving,andarealsothebasisforrealizingwheelchairintelligence.Inourcountrywiththelargestpopulationintheworld,ageinganddisabilityaremajorissuesforus.China'sagingsocietyisbecomingincreasinglyevidentwiththeever-growingelderlypopulation,andfortheelderly,physicaldisability,walkingimpairment,andevencompletelossoflocomotionaretheprimaryissues.Inaddition,theaccessibilityoftransportationhasbroughtaboutanotherproblemtrafficaccidents,andthenumberofdisabledpeoplehasincreaseddramatically.Awheelchaircarutilizingbatteriesasenergyandmotordrives,theelectricfoldingwheelchairofferslabor-savingfeatures,easyoperation,asteadyspeed,nopollutionandminimalnoise.Thispaperprimarilydesignsthetransmissionandsteeringsystemofthewheelchair,whichiscomposedofbody,drive,steering,andcontrolsystems.Thereducerisdriventhroughtheself-lockingmotortocontrolthewheelchair'smovement,whileintegratingthedriveandsteering.Thestructureismorecompact,thewheelchairbarishinged,makingiteasyforthewheelchairtofoldintothecabin,andthebaseisequippedwithamotor,allowingthepassengertorotateeasily.Keywords:electricwheelchair；drivesystem；steeringsystem目錄\o"#_Toc130470786"摘要 I\o"#_Toc130470787"Abstract II\o"#_Toc130470788"第一章緒論 5\o"#_Toc130470789"1.1引言 5\o"#_Toc130470790"1.2課題介紹及研究意義 5\o"#_Toc130470791"1.3電動折疊輪椅發(fā)展現(xiàn)狀 6\o"#_Toc130470792"1.4電動折疊輪椅發(fā)展歷史及發(fā)展趨勢 6\o"#_Toc130470793"第二章系統(tǒng)設(shè)計 7\o"#_Toc130470794"2.1實(shí)現(xiàn)功能 7\o"#_Toc130470795"2.2解決方案 7\o"#_Toc130470796"2.3主要設(shè)計工作 8\o"#_Toc130470797"第三章驅(qū)動及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計 9\o"#_Toc130470798"3.1設(shè)計要求 9\o"#_Toc130470799"3.2電動折疊輪椅轉(zhuǎn)向系統(tǒng)方案分析及選擇 9\o"#_Toc130470800"3.3輪椅驅(qū)動及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計 12\o"#_Toc130470801"第四章整體設(shè)計 14\o"#_Toc130470802"4.1抱閘電動機(jī) 14\o"#_Toc130470803"4.2驅(qū)動電機(jī)的選型 14\o"#_Toc130470804"4.3蓄電池的選用 18\o"#_Toc130470805"4.4減速器設(shè)計 19\o"#_Toc130470806"4.5鏈傳動設(shè)計 23\o"#_Toc130470807"4.6軸的設(shè)計 26\o"#_Toc130470808"總結(jié) 32\o"#_Toc130470809"致謝 34\o"#_Toc130470810"參考文獻(xiàn) 35第一章緒論1.1引言電動折疊輪椅是在傳統(tǒng)手動輪椅的基礎(chǔ)上，疊加高性能動力驅(qū)動裝置、智能操縱裝置、電池等部件，改造升級而成的。具備人工操縱智能控制器，就能驅(qū)動輪椅完成前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)向、等多種功能的新一代智能化輪椅，是現(xiàn)代精密機(jī)械、智能數(shù)控、工程力學(xué)等領(lǐng)域相結(jié)合的高新科技產(chǎn)品。1.2課題介紹及研究意義隨著現(xiàn)代科技的進(jìn)步，的生活隨之變得越來越方便。這直接體現(xiàn)的是生活工具的自動化、智能化。電動折疊輪椅有著方便、省力的特點(diǎn)，也是實(shí)現(xiàn)輪椅智能化的基礎(chǔ)。中華民族擁有世界上最龐大的人口，而老年化與殘障則構(gòu)成了當(dāng)今社會的一個嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。根據(jù)2018年的數(shù)據(jù)，中華民族的60歲及以上的老年人口數(shù)量已經(jīng)超過2.49億，比例高出17.9%；而65歲及以上的老年人口數(shù)量也超過了1.67億，比例也高出11.9%。隨著時間的推移，中國正在邁向老年化的階段。根據(jù)60歲及更高的年輕一代的數(shù)據(jù)，2020年的中國老年人口數(shù)量約為2.50億，所占的比例約為17.4%。預(yù)計在2026年，這一數(shù)字將大幅增長，并在2035年突破4億，在2055年達(dá)到頂點(diǎn)，約為35.6%。而對于高齡人本身而言，面對的第一個問題就是機(jī)體能力下降，行走能力減退，有的甚至徹底失去行走能力。身體的不適造成生活的不便和對生活的失望，對于老年人來說是不小的壓力。為了讓他們排解生活的不悅，應(yīng)有優(yōu)越的代步工具，輪椅應(yīng)運(yùn)而生。另外，交通的四通八達(dá)也帶來另一個問題交通事故，殘疾人數(shù)量也急劇增加。據(jù)統(tǒng)計，我國現(xiàn)有殘疾人總數(shù)約為8500萬。由于這類人群行走能力的缺失，給他們的生活帶來了嚴(yán)重的影響，他們的生活權(quán)益急需得到保障。為了解決這一問題，R&D了一種電動折疊輪椅，它可以幫助人們更輕松地行走，提高生活質(zhì)量，讓他們重新融入社會，重拾對生活的信心。此外，它還能為社會帶來巨大的好處。1.3電動折疊輪椅發(fā)展現(xiàn)狀隨著科技的發(fā)展，輪椅已經(jīng)成為了老年人和受損者的首選交通工具，但大多數(shù)仍以傳統(tǒng)的手推車出現(xiàn)。這種傳統(tǒng)的車輛缺乏智能化，無法滿足現(xiàn)今社會的多樣化出行需求，也無法提供更加舒適的乘坐體驗。由于多數(shù)使用者都是老年人，他們的身體狀態(tài)較差，無法持續(xù)使用輪椅。此外，在惡劣的天氣和道路條件下，使用輪椅通常會變得困難，比如山區(qū)和強(qiáng)風(fēng)。所以，電動折疊輪椅成為他們的不二之選。經(jīng)過市場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，手推輪椅在電商平臺上的銷量明顯超過了電動折疊輪椅，達(dá)到了69%，而銷售額則低于前者，只有39%，而電動折疊輪椅的銷售額則達(dá)到了61%。顯然，電動折疊輪椅的價格昂貴，而且在市場上的份額很小。1.4電動折疊輪椅發(fā)展歷史及發(fā)展趨勢1933年，赫伯特埃弗雷斯特這個美國的采礦工程師，不幸遭遇一次意外，導(dǎo)致雙腿全部殘廢。但是，憑借著哈瑞詹寧斯的支持，赫伯特埃弗雷斯特及其團(tuán)隊，最終創(chuàng)造出一種全新的交通方式，即可折疊的便攜式輪椅，并且由此創(chuàng)辦出一家以赫伯特埃弗雷斯特及詹寧斯的名義命名的全球第一家專業(yè)的輪椅企業(yè)。我國智能輪椅起步較晚，在一些方面與國外還有差距，市場普及率還很低且價格較為昂貴，普通家庭很難承擔(dān)高昂費(fèi)用。電動折疊輪椅作為智能輪椅基礎(chǔ)，有很好的市場前景，能夠基本滿足絕大部分用戶的需求，但目前市場電動折疊輪椅還是普遍較貴。電動折疊輪椅應(yīng)朝著人性化、智能化的方向發(fā)展，隨著電動折疊輪椅的保質(zhì)降費(fèi)，將來電動折疊輪椅會有一片良好的市場前景，為需求者送去一份溫暖。第二章系統(tǒng)設(shè)計電動折疊輪椅主要由電源、控制、減速及轉(zhuǎn)向、車身等幾大模塊組成，電源模塊為輪椅提供動力來源，控制模塊為用戶實(shí)現(xiàn)功能需求，減速及轉(zhuǎn)向保證輪椅正常行駛，車身提供支撐。本次研究主要就電源及減速及轉(zhuǎn)向模塊進(jìn)行分析設(shè)計。2.1實(shí)現(xiàn)功能本課題此次研究設(shè)計旨在開發(fā)一款適合特定用戶使用的電動折疊輪椅。為了滿足不同年齡段和殘疾人的需求，輪椅必須提供更多的心理和生理支持。根據(jù)市場調(diào)查，研究國內(nèi)外輪椅功能特點(diǎn)，總結(jié)出輪椅須具備以下功能特點(diǎn)：1、操作簡單方便。用戶只需通過輪椅扶手上的操縱桿即可實(shí)現(xiàn)對輪椅的控制，無需繁瑣復(fù)雜的控制工作和駕駛技巧?？奢p松實(shí)現(xiàn)輪椅的進(jìn)退、轉(zhuǎn)向、椅背調(diào)節(jié)、高度調(diào)節(jié)等。還帶有電子顯示屏，顯示當(dāng)前輪椅車身狀態(tài)，包括車速、電池電量、續(xù)航等，方便用戶使用。2、車身結(jié)構(gòu)緊湊，外觀優(yōu)雅，能夠滿足乘客戶外出行的需求。車身承載能力達(dá)到100kg，具有良好的強(qiáng)度和韌性，在受到較大沖擊時能夠保持穩(wěn)定，確保乘客的安全。另須設(shè)有防翻裝置。3、座椅安全舒適。長時間乘坐會導(dǎo)致壓力疲勞，應(yīng)避免這種情況發(fā)生。因此，座椅結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)符合人體工程學(xué)，并有特定減壓裝置，用于緩解用戶肌肉酸痛。2.2解決方案1、輪椅行駛運(yùn)動電動折疊輪椅只需人為控制操縱桿，便可實(shí)現(xiàn)輪椅的前進(jìn)、后退、旋轉(zhuǎn)的功能。操縱桿發(fā)出電信號，輪椅內(nèi)部有接收裝置，通過接收傳遞給電機(jī)控制器，再由電機(jī)控制器接收放大處理作用于直流電機(jī)，電機(jī)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動，輸出轉(zhuǎn)矩，帶動輪椅實(shí)現(xiàn)運(yùn)轉(zhuǎn)，即電機(jī)正轉(zhuǎn)，輪椅前進(jìn)。操縱桿向后撥壓，電機(jī)內(nèi)部電樞接入反向電壓，電機(jī)轉(zhuǎn)動，輸出轉(zhuǎn)矩，即電機(jī)反轉(zhuǎn)，輪椅后退。2、輪椅轉(zhuǎn)向行駛電動折疊輪椅只需人為控制操縱桿，便可實(shí)現(xiàn)輪椅的左右轉(zhuǎn)向的功能。輪椅可通過前輪實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向，亦可通過后輪進(jìn)行轉(zhuǎn)向。如采用前輪轉(zhuǎn)向，機(jī)械機(jī)構(gòu)較為復(fù)雜，研究設(shè)計難度較大且轉(zhuǎn)向半徑較大，轉(zhuǎn)角較小，無法實(shí)現(xiàn)原地轉(zhuǎn)向，給用戶帶來不便，所以本次研究設(shè)計采用后輪轉(zhuǎn)向方案。3、輪椅輔助功能為了滿足用戶在生活中伸手取物的需求，此次設(shè)計增添了座椅旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)，滿足用戶的需求。用戶將通過控制器來實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)，控制器通過電信號作用于電機(jī)，實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)。為了滿足用戶在輪椅上休息的需求，輪椅在功能上也有良好體現(xiàn)。人在躺著休息時是身心是能得到很好的休息的，椅背的自由調(diào)節(jié)是能夠?qū)崿F(xiàn)此需求的。2.3主要設(shè)計工作1、充分認(rèn)識了解電動折疊輪椅的機(jī)械構(gòu)造及相應(yīng)構(gòu)造原理，充分進(jìn)行市場調(diào)查工作，研究分析現(xiàn)有電動車的優(yōu)缺點(diǎn)，利用已有相關(guān)數(shù)據(jù)。2、搜集各種輪椅的資料，其中包括有關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)及最新研究成果。3、機(jī)械系統(tǒng)本課題主要研究設(shè)計輪椅的機(jī)械系統(tǒng)，大體可分為幾個部分，包括輪椅驅(qū)動系統(tǒng)及轉(zhuǎn)向行駛系統(tǒng)、椅背調(diào)節(jié)系統(tǒng)、座椅高度調(diào)節(jié)系統(tǒng)。的主要任務(wù)是對驅(qū)動和轉(zhuǎn)向方案進(jìn)行深入的分析和設(shè)計，并確定合適的電動機(jī)型號。還會設(shè)計減速箱，并選擇合適的蓄電池。根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)畫零件圖、裝配圖。第三章驅(qū)動及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計3.1設(shè)計要求驅(qū)動及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)輪椅的最基本、最重要的動作，是輪椅的核心組成部分。其組成包括電動機(jī)、控制電機(jī)轉(zhuǎn)向及轉(zhuǎn)速并與控制系統(tǒng)相連的控制器、與電動機(jī)輸出端相連的減速箱和和其他傳動裝置。驅(qū)動及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)有輪椅平穩(wěn)行駛的設(shè)計要求，轉(zhuǎn)向要求盡可能大角度轉(zhuǎn)向且較為靈活，能夠快速制動，并保障乘坐舒適。通過安裝一個控制器，就可以讓電動機(jī)的后輪、驅(qū)動輪等部件都有動力，從而讓它們的運(yùn)動更加平穩(wěn)。這個系統(tǒng)還具有自動調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速的功能，這樣就可以根據(jù)您的要求，讓電動機(jī)的運(yùn)動更加平穩(wěn)。為了提升電動機(jī)的性能，還會安裝一個減速器，它的作用是提升電動機(jī)的輸出扭矩，從而讓電動機(jī)的運(yùn)動更加平穩(wěn)。除了滿足輪椅的設(shè)計需求之外，考慮道路狀態(tài)的差異，如果把輪椅的后部軸線直接固定在減速器的輸入端，那么由于后部的負(fù)載而引起的壓縮就會被傳導(dǎo)至電動機(jī)的軸線，從而導(dǎo)致電動機(jī)的異常運(yùn)行，縮短它的使用壽命，并且還會影響它的運(yùn)行速率。為了提高車輛的性能，需要在車輛的后部和減速器的輸入部分安裝額外的傳動裝置，以降低車輛承受的負(fù)載，并達(dá)到緩沖和抑制噪音的效果。根據(jù)上述設(shè)計要求，提出了一組可行的驅(qū)動和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)方案，并經(jīng)過精心比較，最終確定了最佳的解決方案。3.2電動折疊輪椅轉(zhuǎn)向系統(tǒng)方案分析及選擇電動折疊輪椅的驅(qū)動及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在輪椅組成結(jié)構(gòu)中擔(dān)任極其重要的角色，其設(shè)計方案也是靈活多變，驅(qū)動及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)方案選擇的適合程度對輪椅的整車性能、整體結(jié)構(gòu)布置、機(jī)械傳動效率和控制方案的選擇有重要的影響。輪椅的驅(qū)動方式采用后輪驅(qū)動，所以可根據(jù)轉(zhuǎn)向方式的不同得到兩種不同的方案：1、前輪主導(dǎo)轉(zhuǎn)向（圖3-1）；2、后輪主導(dǎo)轉(zhuǎn)向。方式一：前輪主導(dǎo)轉(zhuǎn)向直流電動機(jī)用作輪椅的動力源，為后輪持續(xù)提供動力，保障輪椅正常行駛。輪椅的速度調(diào)節(jié)可通過調(diào)節(jié)直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速來得以實(shí)現(xiàn)。步進(jìn)電機(jī)通過輸送脈沖信號來控制輪椅的前進(jìn)方向，并與后輪主運(yùn)動協(xié)同工作，從而實(shí)現(xiàn)輪椅的精準(zhǔn)轉(zhuǎn)向。這種精確的轉(zhuǎn)向，可以讓輪椅以一個特定的角度運(yùn)動，從而達(dá)到最佳的使用效果。輪椅轉(zhuǎn)彎時，內(nèi)側(cè)車輪和外側(cè)車輪的轉(zhuǎn)彎半徑不同，外側(cè)車輪的轉(zhuǎn)彎半徑要大于內(nèi)側(cè)車輪的轉(zhuǎn)彎半徑，這就要求在轉(zhuǎn)彎時外側(cè)車輪的轉(zhuǎn)速要高于內(nèi)側(cè)車輪的轉(zhuǎn)速。為了解決這一問題，在輪椅結(jié)構(gòu)上設(shè)有差速器。差速器的作用就是滿足輪椅轉(zhuǎn)彎時兩側(cè)車輪轉(zhuǎn)速不同的要求。兩后輪各有一個傳動軸，中間裝有差速器，直流電動機(jī)與減速器相連，差速器與減速器相連。輪椅在直線行駛時，兩后輪與地面形成的摩擦力相同，差速器向兩輪輸出相同轉(zhuǎn)速。當(dāng)輪椅轉(zhuǎn)彎時，前輪發(fā)生偏轉(zhuǎn)，使得后兩輪所受摩擦力不同，外側(cè)輪所受摩擦力較小，差速器工作向兩輪輸出不同轉(zhuǎn)速，輪椅實(shí)現(xiàn)順利轉(zhuǎn)彎。這個方案的驅(qū)動系統(tǒng)和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是完全獨(dú)立的，它們之間沒有任何關(guān)聯(lián)。這種結(jié)構(gòu)非常容易控制，而且控制系統(tǒng)也很容易設(shè)計。轉(zhuǎn)向原理也很簡單，只需要將脈沖信號輸送到步進(jìn)電機(jī)上，就能夠通過脈沖信號來調(diào)整偏轉(zhuǎn)角度，而且精度很高。此方案存在不足，輪椅要完成轉(zhuǎn)向須在行駛中，轉(zhuǎn)彎半徑較大，轉(zhuǎn)向角度較小，無法實(shí)現(xiàn)原地轉(zhuǎn)彎，給用戶帶來諸多不便，降低其使用性能。方案二后輪主導(dǎo)轉(zhuǎn)圖3-3結(jié)構(gòu)上，分別用兩個直流電動機(jī)驅(qū)動兩后輪，直流電動機(jī)與減去器相連，減速器與驅(qū)動軸相連。在控制上，兩個電機(jī)分別控制車輪轉(zhuǎn)速。輪椅直線行駛時，直流電動機(jī)輸出相等轉(zhuǎn)速。當(dāng)輪椅在拐彎的情況下，電子差速器會單獨(dú)驅(qū)動每個輪子，使得它們朝著更慢的速度移動。這種變化的程度取決于每個輪子的速差以及它們的旋轉(zhuǎn)的持續(xù)時間。如果速差變得更快，那么拐彎的角度會變得更陡。通過調(diào)節(jié)兩個方向的電機(jī)，使得汽車的前后軸能夠在空中自由旋轉(zhuǎn)。下面以圖3-4具體說明兩后輪工作情況：圖3-4這張圖展示了一輛車的轉(zhuǎn)彎情況。它的兩個車尾之間的直線距離為L，車尾的直線長度為r，車尾的轉(zhuǎn)彎半徑為R，轉(zhuǎn)彎的角度為α。如果車輛在t的時間里，轉(zhuǎn)彎的角度和轉(zhuǎn)彎的方式都相同，那么車尾的轉(zhuǎn)彎方式將會有所不同。此方案采用采用雙直流電機(jī)驅(qū)動，與單直流電動機(jī)驅(qū)動相比，功率約為單電機(jī)的一半，電機(jī)尺寸也可縮小。直流電動機(jī)、減去器和后輪的軸線完全一致，沒有差速器和前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，使得整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)變得更加緊湊，更加高效。但對電機(jī)轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)矩要求較高，對電機(jī)的性能要求有所提高。分析比較，本課題研究之初是為用戶提供室內(nèi)、戶外較好的代步工具，這就要求輪椅擁有較高的方便靈活性，其中轉(zhuǎn)向尤為突出。前輪主導(dǎo)轉(zhuǎn)向可完成任意角度、半徑轉(zhuǎn)向，系統(tǒng)靈活性高；。綜上所述，采用前輪主導(dǎo)轉(zhuǎn)向。3.3輪椅驅(qū)動及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計在前輪主導(dǎo)轉(zhuǎn)向和驅(qū)動系統(tǒng)中，兩后輪連接一根驅(qū)動軸，電動機(jī)、經(jīng)過聯(lián)軸器連接至減速器來給電動折疊輪椅提供機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)。當(dāng)控制系統(tǒng)發(fā)出信號，兩后輪產(chǎn)生轉(zhuǎn)動從而實(shí)現(xiàn)輪椅的前進(jìn)。圖3-5驅(qū)動機(jī)構(gòu)單側(cè)示意圖根據(jù)輪椅結(jié)構(gòu)分布圖（3-5）可知，電機(jī)、減速器和機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)處于同一平面，輪椅車身寬度有限，所以驅(qū)動機(jī)構(gòu)電機(jī)和減去器在軸線分布上要有一定尺寸限制。而直流電機(jī)的軸向尺寸對其額定功率、輸出扭矩有決定性作用，在一定范圍內(nèi)，額定功率、輸出扭矩和電機(jī)軸向尺寸成正相關(guān)。為了提高減速器的性能，在選擇電機(jī)時應(yīng)該優(yōu)先考慮輸出扭矩較大的電機(jī)，這樣可以降低減速器的減速比，并且還需要注意軸向尺寸的限制。前輪設(shè)計輪椅前輪采用萬向輪，在直線行駛狀態(tài)下，前輪可根據(jù)控制系統(tǒng)發(fā)出的指令配合后輪完成直線運(yùn)動，若需要進(jìn)行轉(zhuǎn)向，則通過控制按鍵給出步進(jìn)信號，來實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的角度轉(zhuǎn)動，帶動前萬向輪進(jìn)行轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)在行走的過程中轉(zhuǎn)向的功能。圖3-6第四章整體設(shè)計4.1抱閘電動機(jī)抱閘，也稱為保護(hù)制動器，是一種用來控制伺服電機(jī)的機(jī)械設(shè)備，它可以使電機(jī)在停止的情況下，被外力所阻擋，從而阻止其繼續(xù)向前或向后移動。它可以有效地阻擋外力，從而使得電梯無法繼續(xù)行駛。當(dāng)馬達(dá)停止運(yùn)行時，這種控制系統(tǒng)通常采用抱閘的方法，即當(dāng)獲得足夠的電力時，將其釋放，而當(dāng)缺乏足夠的電力時，則將其拉回原位。此外，還有一種叫做電動機(jī)的設(shè)備，它依靠電磁感應(yīng)定律來將電力轉(zhuǎn)化為可用的動力。。由于其移動電源的支持，輪椅使用了先進(jìn)的直流電動機(jī)，它擁有極其出色的調(diào)節(jié)功率、穩(wěn)定的轉(zhuǎn)矩、極強(qiáng)的抗超負(fù)荷、以及更強(qiáng)的啟動及制動轉(zhuǎn)矩，使其在各種場合得到了普遍的使用。4.2驅(qū)動電機(jī)的選型電機(jī)為輪椅提供動力，作為動力源是輪椅重要的組成部分。電機(jī)種類繁多，要選擇適合本次課題的輪椅，需要綜合比較其性能。下表4-1是常用電機(jī)的性能比較。表4-1根據(jù)設(shè)計需求，輪椅電機(jī)須滿足以下解基本條件：1、當(dāng)使用高效的驅(qū)動力時，電動輪椅能夠平穩(wěn)地進(jìn)入運(yùn)行，并能夠進(jìn)行高效的操控。這種驅(qū)動力的輸入能夠滿足平穩(wěn)的運(yùn)行，包括高效的爬升、高效的啟停、高效的加速和高效的啟動。此外，由于電機(jī)的調(diào)節(jié)能力有限，通常只能將其25%或100%的轉(zhuǎn)速提供給用戶。2、根據(jù)單位質(zhì)量能提供的最大功率，通常需要超過1—1.25千瓦/千克的KW/kg，才能達(dá)到最高的效率。3、通過改進(jìn)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)特性，使得的汽車具有了更強(qiáng)的動力學(xué)控制，無論是低檔還是高檔，都具有良好的動態(tài)表現(xiàn)。4、良好的工作性能能適應(yīng)不同的工作環(huán)境5、維護(hù)簡單，噪聲小。在選購電動機(jī)之前，需要仔細(xì)考慮其所處的工況、所承受的負(fù)載以及其本身的特點(diǎn)，并且要綜合考慮各項因素，以便正確地識別出適用于不同場合的電動機(jī)，并且能夠滿足其要求的功率、轉(zhuǎn)速等參數(shù)。輪椅所輸出轉(zhuǎn)矩是由電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩通過減速器被增大后傳遞給后輪，輪椅輸出轉(zhuǎn)矩帶動后輪克服阻力進(jìn)而轉(zhuǎn)動，當(dāng)輸出轉(zhuǎn)矩大于輪椅所受阻力按照規(guī)定，電動輪椅的最高運(yùn)轉(zhuǎn)速率應(yīng)該介于5—10km/h之間，但由于當(dāng)前的道路狀態(tài)普遍優(yōu)越，因此，它們的運(yùn)轉(zhuǎn)時，空氣阻力及斜坡阻力均很少，幾乎可以被視作無關(guān)緊要的因素。由于地表的摩擦力，使得輪椅的運(yùn)動受到了較大的阻礙，這種阻礙被稱作mgf。根據(jù)輪椅驅(qū)動系統(tǒng)可得出，電機(jī)轉(zhuǎn)速與輪椅行駛速度的關(guān)系：ν=ω式中，ν為輪椅行駛速度；ω為電機(jī)轉(zhuǎn)速根據(jù)結(jié)合實(shí)際情況的計算，一輛輪椅的重量應(yīng)該在30kg以內(nèi)，以免對搬運(yùn)造成不良影響。因此，將輪椅的重量定位30kg，以滿足100kg的承載能力。因此，當(dāng)輪椅行駛時，它的最大重量為130kg。在行駛過程中，輪椅的摩擦力主要來自于它的車輪與地面之間的摩擦。由于輪椅的車輪是由橡膠制成的，根據(jù)表格，摩擦系數(shù)的范圍在0.010-0.020之間，其中最大值為0.020。則摩擦阻力為：mgf=(100+30)*9.8*0.020=25.48N根據(jù)設(shè)計需求和實(shí)際情況，輪椅采用單級直齒輪減速器即可。根據(jù)輪椅的特殊性能，單級直齒輪減速器的減速比可達(dá)4，而鏈傳動的減速比可達(dá)8，但是，考慮到輪椅的體積，減速器與傳動鏈的體積會受到一定的影響，因此，減速器的減速比應(yīng)該降低至3，而鏈傳動的減速比也應(yīng)該降低至3。根據(jù)90%的傳輸效率，將輪椅的前輪直徑設(shè)定為500mm，就能夠估算出每臺輪椅的電動機(jī)的最低轉(zhuǎn)矩要求。為了方便計算，取一輪椅速度平均值8km/h，即2.22m/s，則輪椅電機(jī)平均轉(zhuǎn)速為：工作機(jī)所需功率為P機(jī)械傳動裝置的總效率為η確定各部分裝置效率：聯(lián)軸器效率η1=0.99，減速器軸承效率η2=0.98，閉式齒輪減速箱傳動效率η則電動機(jī)所需功率為：P按照轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩選擇電機(jī)，決定采用70ZW系列直流抱閘電動機(jī)，具體參數(shù)如下表（4-2）：表4-2額定功率0.1KW額定轉(zhuǎn)矩0.5Nm最大轉(zhuǎn)矩1Nm額定轉(zhuǎn)速2000rmp重量1.5kg長度92mm調(diào)速范圍20-2000rmp電壓24V4.3蓄電池的選用蓄電池為電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)提供能量，保障輪椅正常工作運(yùn)轉(zhuǎn)，是電動輪椅不可或缺的一部分。蓄電池作為輪椅的能量源，本課題對電池也有相應(yīng)的性能要求，須具有容量大、壽命長、充電快及工作穩(wěn)定等特點(diǎn)。常見的蓄電池有以下幾種：鉛酸蓄電池：鉛酸電池已有一百多年的歷史，廣泛用于內(nèi)燃機(jī)汽車的啟動電源，也是現(xiàn)在主流電動汽車的蓄電池，其可靠性好、原材料易得、價格便宜；比功率大，可以基本滿足汽車的動力需求。然而，它的能量消耗很少，重量和體積都很大，而且續(xù)航時間很短；使用壽命也很短，使用成本也很高。鎳氫電池具有堿性特性，可以提供更久的電池，而且不會產(chǎn)生任何記憶效果，然而其成本卻相對昂貴。能量密度比鎳鋅電池高40%左右，對環(huán)境無害。不過，其循環(huán)壽命不及鎳鋅電池，主要因為充電后期電池發(fā)熱量大，對貯氫合金有損害，使得貯氫量明顯下降。為解決這樣困擾，可采用間歇式充電方法。與鉛酸電池相比，比能量和循環(huán)壽命均高出鉛酸電池，適用于續(xù)航要求較高的場合。電池技術(shù)的發(fā)展使得鋰離子二次電池成為一種先進(jìn)的、高電壓、高能量密度的電池，它的優(yōu)越的物理和電化學(xué)性質(zhì)使它在日常生活中得到了普遍的使用，并且在軍事領(lǐng)域也得到了廣泛的應(yīng)用。它的優(yōu)勢在于：體積小、容積大、不會產(chǎn)生廢氣、使用壽命更久。在電池技術(shù)方面，鋰電池的性能優(yōu)于鎳氫電池或鎳鉻電池，其電池壽命通常是前兩者的1.5倍。。我國從研究、開發(fā)、使用鋰電池至今已取得突破性進(jìn)展。整體而言，鋰電池的各項性能都比較好。鎳鎘蓄電池：鎳鎘電池的應(yīng)用十分廣泛，充電簡單，可快速充電亦可慢速充電，充電循環(huán)次數(shù)多達(dá)2000多次，循環(huán)使用壽命長。但其存在記憶效應(yīng)，若存在充放電不到位，易導(dǎo)致電池續(xù)航能力下降。若已有記憶效應(yīng)，可進(jìn)行全放電處理，以恢復(fù)電池續(xù)航能力。采用最先進(jìn)的技術(shù)制造的鎳鋅蓄電池，其特性是：擁有卓越的性能、極強(qiáng)的輸出功耗，并且可實(shí)現(xiàn)超強(qiáng)的電池容量。其獨(dú)特優(yōu)勢可滿足電動輪椅續(xù)航、爬坡及加速所需的能量需求。但新型功能電池價格稍昂貴。電動輪椅蓄電池的特性決定了它的使用方式：它可以長時間持續(xù)放電，并且可以在較大的電流范圍內(nèi)運(yùn)行，這樣就可以滿足輪椅在爬坡、行走等極端環(huán)境下的需求。作為輪椅的蓄電池，應(yīng)滿足以下基本條件：高能量密度是指物質(zhì)在某一特定空間內(nèi)能夠被有效地儲存的能量數(shù)量。高質(zhì)量和體積比功率是提升功率密度的關(guān)鍵因素。使用壽命長充放電性能強(qiáng)（可快充、抗過充、過放性能好）電池一致性好物美價廉維護(hù)方便綠色環(huán)保（從電池的制造、使用、到回收都要保證對環(huán)境無污染）綜上所述，結(jié)合電池基本要求，本次電動輪椅搭載鋰離子電池。選用鋰電池作為輪椅蓄電池可滿足輪椅設(shè)計的各種需求，且鋰電池在電動工具上的應(yīng)用已十分成熟，也大大減輕了輪椅的重量，方便用戶及家人外出游行時的搬運(yùn)。4.4減速器設(shè)計1.傳動軸參數(shù)計算（1）電動機(jī)軸軸功率：P軸轉(zhuǎn)速：n軸轉(zhuǎn)矩：T(2)Ⅰ軸：小齒輪軸軸功率：P軸轉(zhuǎn)速：n軸轉(zhuǎn)矩：T(3)Ⅱ軸：大齒輪軸軸功率：P軸轉(zhuǎn)速：n軸轉(zhuǎn)矩：T表4-3軸號輸入功率P/(KW)輸入轉(zhuǎn)矩T/(N?m)轉(zhuǎn)速n(r/min)電機(jī)軸0.11.25764Ⅰ軸0.0991.24764Ⅱ軸0.0933.482551.齒輪類型及精度等級因為輪椅的體積較大，會導(dǎo)致減速器與傳動鏈的體積受到一定的限制，因此，需要將它們的傳動比降低到3，這樣才能滿足使用者的需求。直齒輪有著承載力強(qiáng)、經(jīng)久耐用、制造簡單等優(yōu)點(diǎn)，符合輪椅的使用要求，因此減速器采用直齒輪。電動輪椅為一工作機(jī)器，速度較慢，查表可初選8級精度等級。2.選擇材料及熱處理方法，確定需用應(yīng)力（1）材料及熱處理方法的選擇通過比較軟齒面和硬齒面兩種方案的計算結(jié)果，可以更好地了解它們之間的差異。電動輪椅非高速、重載要求較高的傳動機(jī)械，這里直接按軟齒面齒輪進(jìn)行設(shè)計。為使一對齒輪的使用壽命相近，小齒輪的材料應(yīng)比大齒輪材料好一些根據(jù)調(diào)質(zhì)處理后的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)，40Cr鋼制作的小齒輪的硬度高達(dá)260HBS，而45鋼制作的大齒輪的硬度則高達(dá)230HBS，兩種鋼的硬度相比，相差了30HBS。（2）確定許用應(yīng)力根據(jù)線性插值法查表可得：接觸疲勞極限σ_(Hlim1)=710MPa,σ_(Hlim2)=580MPa；由表查得，取最小疲勞安全系數(shù)S_H=1.1，則接觸應(yīng)力[σ_H]為：[σH1]=[σH2]=由表查得，彎曲疲勞極限σFlim1=600MPa,由表查得，最小安全系數(shù)SFσσ由于閉式軟齒面齒輪容易受到磨損，所以在進(jìn)行安裝之前，應(yīng)該首先使用相應(yīng)的疲勞強(qiáng)化模型來估算其直徑，并對其中的大型和小型齒輪進(jìn)行檢驗，以評估它們的彎曲疲勞能力。3.按齒面接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行計算（1）按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計式進(jìn)行試算輪椅運(yùn)轉(zhuǎn)工作平穩(wěn)，查表取載荷系數(shù)K=1.2；查表取齒寬系數(shù)?d=1小齒輪上的轉(zhuǎn)矩：T查表取彈性系數(shù)ZE標(biāo)準(zhǔn)直齒輪傳動，區(qū)域系數(shù)ZH因為σH2<σd因為軸的最小直徑和軸承的最小內(nèi)徑都有限制，所以將d1設(shè)為29mm。(2)確定主要幾何參數(shù)和幾何尺寸取齒數(shù)Z則Z2模數(shù)：m=齒寬：b=取b2根據(jù)查表，取模數(shù)m=1，則實(shí)際分度圓直徑為：dd中心距a=為了保證傳動的精確性，齒輪的模數(shù)和壓力角必須符合標(biāo)準(zhǔn)要求；此外，為了保證傳動的穩(wěn)定性，中心距和齒輪的直徑也必須精確計算，通常要求在小數(shù)點(diǎn)后2位；最后，齒輪的寬度也應(yīng)該是圓形的。4.驗算齒根的彎曲疲勞強(qiáng)度查圖取齒形系數(shù)YFa1=2.64,查圖取應(yīng)力集中系數(shù)YSa1=1.62,按最小齒寬b=25mm計算，由輪齒彎曲強(qiáng)度的驗算公式得：σ=17.69MPa≤σ=16.58MPa≤5.計算齒輪的圓周速度ν=對照表9-2，選8級精度是合適的表4-4齒輪參數(shù)及幾何尺寸參數(shù)或幾何尺寸符號小齒輪大齒輪模數(shù)m11壓力角α2020齒數(shù)z2987分度圓直徑d2987齒頂圓直徑d3189齒根圓直徑d26.584.5齒寬b2925中心距a584.5鏈傳動設(shè)計鏈傳動是一種復(fù)雜的傳動機(jī)械系統(tǒng)，其中包括主動鏈輪、從動鏈輪以及它們的配套部分，它們通過彼此的配合傳輸動力。這種傳動機(jī)械系統(tǒng)具有緊湊的結(jié)構(gòu)，可以減輕軸的負(fù)擔(dān)，提供更強(qiáng)的傳動性能，并且可以維護(hù)較低的傳動比，不需要特殊的工作環(huán)境。根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速與機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)的傳動比，可得減速器Ⅱ軸轉(zhuǎn)速，即鏈傳動輸入轉(zhuǎn)速，n11.選擇鏈輪齒數(shù)z查表11-14，選取小鏈輪齒數(shù)z1大鏈輪齒數(shù)z22.計算鏈傳遞的計算功率P由表11-13查得K根據(jù)圖11-24，可以得出小鏈輪的齒數(shù)系數(shù)Kz為1。選擇單排鏈，其多排鏈系數(shù)K由式（11-41）計算鏈傳遞的計算功率P3.確定鏈條鏈節(jié)數(shù)初選中心距a可由式（11-42）計算鏈節(jié)數(shù)：L==131.58取LP4.選擇鏈型號、確定鏈條數(shù)的節(jié)距p根據(jù)n1=255r/min和允許傳輸功率P0≥0.1KW，從圖11-22中可以看出，最佳的單排鏈應(yīng)該是5B。由公式計算得p=5×25.45.確定鏈長L及中心距a因為LP=可由式（11-43）計算鏈傳動的理論中心距a===319.18mm≈320mm取理論中心距a的減小量?a=(0.002~0.004)a計算得?a=0.64~1.28mm則可計算實(shí)際中心距a取中心距a在鏈條的安裝過程中，為了確保松邊的位置處在一個恰當(dāng)?shù)乃?，?yīng)該將實(shí)際的中央間隔縮短到與理論間隔相同的水平。這個縮短的數(shù)值可以用一個常用的公式來表示。6.驗算鏈速由式（11-25）計算鏈速ν=7.計算軸的的壓力F由式（11-25）計算工作拉力F由式（11-40）計算軸的壓力F8.鏈輪尺寸計算根據(jù)滾子鏈型號05B查表得：節(jié)距P=8mm滾子直徑d1=5mm內(nèi)節(jié)內(nèi)寬b1=3mm套筒孔徑d3=2.36mm內(nèi)鏈板高度h2=7.11mm小鏈輪參數(shù)：分度圓直徑d=8sin180齒頂圓直徑da取da=2齒根圓直徑d齒寬b齒側(cè)半徑（倒角半徑）r齒側(cè)凸緣d=8.6456mm取8mm倒角寬ba=0.1~0.15p=0.8~1.2mm圓角半徑r大鏈輪參數(shù)按以上計算方式得下表大鏈輪參數(shù)表4-5分度圓直徑d=191mm齒頂圓直徑d齒根圓直徑d齒寬bb齒側(cè)半徑r齒側(cè)凸緣dg<182.72mm取1倒角寬b圓角半徑r4.6軸的設(shè)計1.高速軸設(shè)計(1)已經(jīng)確定的相關(guān)參數(shù)n(2)選擇軸的材料和和熱處理方法3.使用45鋼作為軸，經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理后，其柔韌性可達(dá)到217~255HBS，允許的彎曲應(yīng)力σ-1可達(dá)到σ-1=60MPa，而最大的抗拉應(yīng)力σb可達(dá)到σb=650MPa。(3)按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度估算最小直徑查表13-4得C=107~118因為高速軸承受的彎曲力更大，所以它承受的扭矩更小，因此將C設(shè)為115。按式（13-2），可得d≥C由于最小軸徑小于30mm，其截面上開有一個鍵槽（聯(lián)軸器），故將軸徑增大7%。d由于聯(lián)軸器型號的限制，取軸徑為10mm。（4）軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計在這次設(shè)計中，選擇了一個較小的高速軸，它的齒根圓距離鍵槽底部的距離X在X≤2~2.5m之間。將這個齒輪與軸結(jié)合在一起，形成了一個新的軸。圖4-1根據(jù)軸徑dmin=10mm查表得，鍵公稱尺寸b×h=3mm×3mm；根據(jù)鍵公稱尺寸查表得，軸t1=1.8，X因此，將這種高速軸的設(shè)計改進(jìn)到齒輪軸的形式。軸的雙側(cè)都安裝有軸承，可以在安全的情況下進(jìn)行更換。軸的另外一側(cè)則被延展，這樣可以安全地安放聯(lián)軸器，采用的聯(lián)軸器規(guī)格為TL1（GB/T4323-2002），其公稱轉(zhuǎn)矩為6.3N?m，允許速度為n=8800r/min，軸上有J型軸孔，其孔徑為d=10mm，軸孔的寬度為L1=17mm，總長度為L=25mm。采用A型、b×h、槽深t、槽寬10mm、軸段口徑?、軸段長度?、定位軸肩寬度?、槽深16mm，以確保聯(lián)軸器和軸之間的有效連接。采用深溝球軸承，其規(guī)格6202，其內(nèi)部孔隙尺寸d=17mm，而軸承的軸肩尺寸則設(shè)置在23mm。確定各段的直徑并繪制草圖：圖4-2（5）按扭矩和彎矩組合進(jìn)行強(qiáng)度校核①繪制軸的受力圖，如圖4-3所示。②計算作用在軸上的力小齒輪所受的圓周力：F小齒輪所受的徑向力：F小齒輪所受的法向力：F計算作用于軸上的支座反力：水平面內(nèi)：齒輪對稱布置，軸在水平面內(nèi)只受一個外力，故F求界面C處的彎矩：M圖4-3③求垂直平面內(nèi)的支反力及彎矩求支反力：齒輪為直齒輪，無軸向力，垂直平面內(nèi)軸只受徑向力F2FF求截面C處的彎矩：M④求截面C的合成彎矩：M⑤計算扭矩T=9550⑥計算當(dāng)量彎矩輪椅電機(jī)既有正轉(zhuǎn)也有反轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)矩按對稱循環(huán)變應(yīng)力處理，α=1。危險截面C處的當(dāng)量彎矩為：M⑦計算危險截面處的軸徑d≥此高速軸為齒輪軸，在C截面處齒根圓直徑為26.5mm，遠(yuǎn)大于軸所需的要求，故強(qiáng)度足夠。2.低速軸設(shè)計(1)已經(jīng)確定的相關(guān)參數(shù)n(2)選擇軸的材料和和熱處理方法使用45鋼作為軸，經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理后，其柔韌性可達(dá)到217~255HBS，允許的彎曲應(yīng)力σ-1可達(dá)到σ-1=60MPa，而最大的抗拉應(yīng)力σb可達(dá)到σb=650MPa。(3)按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度估算最小直徑查表13-4得C=107~118因為低速軸承擔(dān)的彎曲力量相對較弱，所以它承擔(dān)的扭曲力量也更強(qiáng)，因此C=107。按式（13-2），可得d≥C為了使聯(lián)軸器的最低軸部分的直徑不超過30mm，并在它的截面上設(shè)置1個鍵槽，決定把軸的長度提高7%。d由于聯(lián)軸器型號的限制，取軸徑為10mm。（4）軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計軸的雙側(cè)軸承被安置在不同的位置，以便進(jìn)行安全的拆除和維護(hù)。其中，軸的一側(cè)被拉開，以便安放聯(lián)軸器，采用tL1型彈性套柱銷聯(lián)軸器，其公稱轉(zhuǎn)矩達(dá)到6.3N?m，允許速度達(dá)到n=8800r/min，軸孔采用J型，其直徑達(dá)到d=10mm，軸孔的長度達(dá)到L1=17mm，最終的軸的整體長度達(dá)到l=25mm。采用A型、b×h、槽深t、槽寬10mm、軸段直徑?、軸肩長16mm的標(biāo)準(zhǔn)，將聯(lián)軸器和軸的連接緊固在一起。軸承選用深溝球軸承，型號為6202，內(nèi)孔直徑d=17mm，定位軸肩為23mm。確定各段的直徑并繪制草圖（4-4）：圖4-4（5）強(qiáng)度校核①計算作用在軸上的力軸轉(zhuǎn)矩：T與大齒輪配合的軸段直徑d=22m